DE10221677C1 - Verfahren zur Messung eines ein Messrohr durchströmenden Mediums - Google Patents
Verfahren zur Messung eines ein Messrohr durchströmenden MediumsInfo
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Abstract
Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit eines ein Messrohr durchfließenden Mediums, das von einem orthogonal zu der Flussrichtung liegenden, gleichbleibenden magnetischen Feld (B) durchdrungen wird, bei dem die sich in dem Medium aufbauende elektrische Spannung (U0) über in einer orthogonal zu der Flussrichtung des Mediums liegenden Ebene an der Wandung des Messrohrs (2) angeordnete, zu dem Medium isolierte Elektroden (3, 3') abgefragt wird, wobei die Kapazität wenigstens einer der durch die Elektroden (3, 3') und das Rohrinnere gebildeten kapazitiven Einheit (C) geändert wird, und die durch die Änderung der wenigstens einen kapazitiven Einheit (C) bewirkte Ladungsänderung erfasst und aus dieser die Spannung (U0) ermittelt wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit eines ein Messrohr
durchströmendes Mediums, das von einem orthogonal zu der Fließrichtung liegendem, gleich
bleibenden magnetischen Feld durchdrungen wird, bei dem die sich in dem Medium aufbauende
elektrische Spannung über in der Ebene des magnetischen Feldes außen an der elektrisch isolie
renden Wandung des Messrohrs angeordnete Elektroden abgefragt wird.
Es ist bekannt, den Durchfluss eines Mediums durch ein Messrohr durch kapazitives Messen
der in dem Medium aufbauenden elektrischen Spannung zu erfassen (Helmut Brockhaus, Mag
netisch-induktive Durchflußmessung mit kapazitiven Verfahren, Zeitschrift tm - Technisches
Messen 64 (1997) 5, Oldenbourg Verlag, München).
Aus praktischen Erwägungen besteht ein großer Bedarf für ein Messsystem, das die Vorteile
der kapazitiven Auskopplung mit jenen einer permanentmagnetischen Erregung vereint, wobei
letztere im verschwindenden Leistungsbedarf zum Aufbau des magnetischen Feldes liegen. Ein
solches System wäre auch besonders zur mikromechanischen Realisierung geeignet.
Lösungsansätze wurden in der DE 198 31 491 A1 sowie in der DE 100 49 781 A1 vorge
schlagen. Es wurde jedoch nach umfangreichen Untersuchungen gefunden, dass beide Vor
schläge nicht ohne galvanische Hilfselektroden auskommen. Die mit diesen verbundenen gal
vanischen Potentiale lassen sich bei Anwendung zeitlich konstanter magnetischer Felder nicht
vollständig eliminieren, ohne mit aufwändigen und für den praktischen Einsatz problematischen
elektrochemischen Bezugselektroden zu arbeiten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Durchflussmessung zu schaffen, dass mit ei
nem geringen Energieaufwand arbeitet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst,
die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
Erfindungsgemäß sind zur kapazitiven Auskopplung des der Durchflussrate des Strömungsme
diums proportionalen Messsignals U0 ein von einem statischen Magnetfeld der Induktion B
durchdrungenes, elektrisch isolierendes Meßrohr mit einer außen aufgebrachten, mit dem
Rohrinneren jeweils eine kapazitive Einheit bildenden Auskopplungselektroden, vorgesehen.
Die Kapazität wenigstens einer dieser kapazitiven Einheiten ist durch eine Steuereinrichtung
veränderbar. Die durch die Kapazitätsänderung verursachte Ladungsänderung hängt u. a. von
der im Inneren des Meßrohres durch Wechselwirkung der Geschwindigkeit v des strömenden
Mediums mit dem Magnetfeld der Induktion induzierten Spannung ab. Mittels einer mit den
kapazitäten Einheiten und der Steuereinrichtung verbundenen Mess- und Auswerteeinrichtung
lässt sich auf diese Nutzspannung U0 und schließlich nach bekannten Verfahren auf die Durch
flussrate des strömenden Mediums schließen. Die Rohrwandung bildeten dabei (wenigstens)
einen Teil des Dielektrikums.
Grundsätzlich erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine große Vielfalt von Lösungen zur
technischen Realisierung der Kapazitätsänderung. In einer beispielhaften Variante wird die
Kapazitätsänderung durch mechanische Maßnahmen herbeigeführt. Dazu können die Auskop
pelelektroden z. B. so angeordnet werden, dass ihr Abstand gegenüber der Innenwandung des
Messrohres variierbar ist. Die Abstandssteuerung kann z. B. durch magnetische Beeinflussung
oder durch piezoelektrische Systeme erfolgen.
Es sind jedoch auch rotierende Anordnungen denkbar. In diesem Falle wird z. B. durch sektor
weise unterschiedliche dielektrische oder geometrische Bedingungen auf einer rotierenden
Kreisscheibe die wirksame Auskoppelkapazität verändert, wenn die betreffenden Sektoren den
Auskoppelbereich überstreichen.
Eine nichtmechanische Variante stellt die elektronische Kapazitätssteuerung bei Verwendung
von halbleitenden Schichten in der Auskopplungszone dar, indem diese bei unterschiedlichen,
in Sperrrichtung angelegten Steuerspannungen nach dem von der Varaktordiode bekannten
Prinzip praktisch leistungslos betrieben werden, so dass sich unterschiedliche Kapazitätswerte
einstellen.
Besonders vielversprechend ist die Verwendung ferroelektrischer Schichten geringer Dicke als
Dielektrikum in den Kondensatoren, deren Permittivität sich in weiten Grenzen durch Anlegen
einer Steuerspannung variieren lässt. Gemeinsam mit der Verwendung eines Permanentmagne
ten zur Erzeugung des magnetischen Feldes ist diese Lösung ideal an die Fertigungsmöglich
keiten mikromechanischer Systeme angepasst, da Ferroelektrika mit Schichtdicken von weni
gen Mikrometern ausreichend sind. Auf diese Weise ließen sich Durchflusssensoren mit ge
ringsten Abmessungen realisieren, wie sie in vielen Bereichen, z. B. in der Medizin und in der
chemischen Industrie von Interesse sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine beliebige Vielfalt hinsichtlich der zeitlichen Vari
ation der Kapazitätsänderung. Neben dem nichtperiodischen Schaltbetrieb sind periodische
Betriebsweisen z. B. mit sinusförmigem oder rechteckförmigem Verlauf oder mit Pulsverlauf
möglich, wobei die Periodendauer bequem den Messerfordernissen anzupassen ist.
Auch hinsichtlich der Signalauswertung bietet das erfindungsgemäße Verfahren eine Fülle von
Möglichkeiten, die in ihren Einzelheiten naturgemäß von der Art der technischen Realisierung
der Kapazitätsänderung abhängen. Einerseits lässt sich die Ladungsänderung an der veränder
ten Kapazität direkt messen, indem diese mit einem Ladungsverstärker, wie er aus der piezo
elektrischen Messtechnik bekannt ist, direkt verbunden wird. Andererseits läßt sich - vorzugs
weise im periodischen Betrieb - der als Folge der Ladungsänderung auftretende Strom bzw.
der ihm entsprechende Spannungsabfall an einem Widerstand im geschlossenen Messkreis -
ggf. nach geeigneter Verstärkung - auswerten.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Erfindung den Weg zur Lösung des bisher als
unlösbar geltenden Problems weist, das Prinzip des magnetisch-induktiven Durchflusssensors
auch auf die Verwendung statischer Magnetfelder auszudehnen und dabei zugleich die bekann
ten Vorteile einer kapazitiven Signalauskopplung zu nutzen. Es bedarf der besonderen Erwäh
nung, dass sich mit Permanentmagneten aus der Gruppe der Seltenen Erden extrem hohe Mag
netfelder bei geringstmöglichen Bauvolumina erzeugen lassen, wie sie mit elektrisch erregten
Systemen nicht erreicht werden können. Da das induzierte Nutzsignal der Induktion proporti
onal ist, kommt dieser Vorteil unmittelbar der Höhe des Messsignals zugute. Auf diese Weise
lässt sich ein magnetisch-induktiver Durchflusssensor verwirklichen, der mit geringstmögli
chem Leistungsaufwand bei höchstmöglicher Empfindlichkeit betrieben werden kann und damit
hervorragende Voraussetzungen für den netzunabhängigen Betrieb mitbringt. Gemeinsam mit
dem bekannten Vorteil völlig glatter Innenwandungen des Messrohres bei Abwesenheit me
chanisch bewegter Teile innerhalb des Messmediums lassen sich so alle Anforderungen an mo
derne Sensorik erfüllen.
Ein besonderer Vorzug des erfindungsgemäßen Gedankens liegt in der Möglichkeit der mikro
systemtechnischen Realisierung mit bisher nicht gekannten geringen Abmessungen im mm-
Bereich und darunter. Damit eröffnen sich breite Anwendungsmöglichkeiten in Medizin, Um
welttechnologie und Industrie.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Prinzipskizze in einer Zeichnung erläutert. Da
bei zeigt die einzige Figur einen schematischen Querschnitt durch das Messrohr mit den außen
befindlichen Auskoppelelektroden mit der ihrer Veränderung dienenden Steuereinrichtung und
die an sie angeschlossene Mess- und Auswerteinrichtung.
Auf einer zu den in der Figur mit "B" gekennzeichneten magnetischen Feldlinien orthogonalen
Achse sind Auskoppelelektroden 3, 3' außerhalb des elektrisch isolierenden Messrohres 2 an
geordnet, von denen mindestens eine in ihrer Größe durch die mit ihr verbundene Steuerein
richtung 7 veränderbar ist (angedeutet durch schräg verlaufenden Doppelpfeil). Die Auskop
pelelektroden bilden mit dem Rohrinneren kapazitive Einheiten, die zur Auskopplung der im
Inneren 1 des Messrohres 2 aufgrund der Wechselwirkung zwischen Strömungsgeschwindig
keit v und Magnetfeld B induzierten Spannung U0 dienen, indem die als Folge einer Kapazi
tätsänderung der kapaziven Einheiten auftretende Ladungsänderung in einer über die Verbin
dungen 5, 6 angeschlossenen Mess- und Auswerteeinrichtung 4 erfasst, aus ihr die Nutzspan
nung U0 ermittelt und schließlich nach bekannten Gesetzmäßigkeiten daraus die Durchflussrate
ermittelt wird.
Die folgenden Erläuterungen dienen lediglich beispielhaft der Herleitung der Beziehungen zwi
schen einer Kapazitätsänderung von C auf C + ΔC und der durch sie verursachten Ladungsän
derung, sowie dem zeitlichen Verlauf des in der Mess- und Auswerteeinheit 4 zu beobachten
den Stromes i und der Spannung uR, wenn diese Mess- und Auswerteeinheit 4 im einfachsten
denkbaren Falle lediglich aus einem in die Verbindungsleitungen 5, 6 eingefügten Serienwider
stand R besteht und dabei uR die an ihm abfallende Spannung bedeutet.
Geht man vom Gleichgewichtszustand aus, der durch die gleiche Spannung von je U0/2 an den
einander gleichen Ausgangskapazitäten C (3, 3') gekennzeichnet ist, so wird durch die
sprungartige, beidseitige Erhöhung von C auf C + ΔC die Ladung
ΔQ = 2ΔC U0/2 = ΔC U0
in den Messkreis fließen, die im geschlossenen Kreis über den Widerstand R den Strom
zur Folge hat und damit den Spannungsabfall
an R liefert.
Analog stellt sich im Falle einer sinusförmigen Kapazitätsänderung mit der Winkelfrequenz ω
der Spannungsabfall
ein, solange der Kehrwert der Zeitkonstante RC als groß gegenüber der Winkelfrequenz ω
vorausgesetzt werden kann.
Diese einfache Betrachtung verdeutlicht auf anschauliche Weise den Mechanismus der Aus
kopplung der Nutzspannung U0 durch die parametrische Änderung der Auskoppelkondensato
ren. Mit möglichen relativen Kapazitätsänderungen ΔC/C < 1 lässt sich sogar eine Verstärkung
ohne Verwendung externer Verstärker realisieren, wenngleich diese Möglichkeit jederzeit zu
sätzlich besteht.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine große Vielfalt alternativer Steuer- und Auswer
temöglichkeiten, die vorgelegte einfache Betrachtung dient lediglich dem Zweck der Erläute
rung der prinzipiellen Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Gedankens.
Claims (9)
1. Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit eines ein Messrohr durchfließenden
Mediums, das von einem orthogonal zu der Flussrichtung liegenden, gleichbleibenden
magnetischen Feld (B) durchdrungen wird, bei dem die sich in dem Medium aufbauende
elektrische Spannung (U0) über in einer orthogonal zu der Flußrichtung des Mediums
liegenden Ebene an der Wandung des Meßrohrs (2) angeordnete, zu dem Medium isolierte
Elektroden (3, 3') abgefragt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kapazität wenigstens einer der durch die Elektroden (3, 3') und das Rohrinnere gebildeten kapazitiven Einheit (C) geändert wird, und
die durch die Änderung der wenigstens einen kapazitiven Einheit (C) bewirke Ladungs änderung erfaßt und aus dieser die Spannung (U0) ermittelt wird.
die Kapazität wenigstens einer der durch die Elektroden (3, 3') und das Rohrinnere gebildeten kapazitiven Einheit (C) geändert wird, und
die durch die Änderung der wenigstens einen kapazitiven Einheit (C) bewirke Ladungs änderung erfaßt und aus dieser die Spannung (U0) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Kapazität
der wenigstens einen kapazitiven Einheit (C) durch Ändern des Abstands der Elektrode (3) zu
dem Rohrinneren erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Abstands
der Elektrode (3) zum Rohrinneren durch mechanische Einwirkung erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Abstands
der Elektrode (3) zum Rohrinneren durch magnetische Einwirkung erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Abstands
der Elektrode (3) zum Rohrinneren piezoelektrisch erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Kapazität
der wenigstens einen kapazitiven Einheit (C) durch Ändern der Permittivität eines in den
Raum zwischen Elektrode (3) und dem Rohrinneren eingebrachten Materials erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein
Halbleitermaterial ist, dessen Permittivität von einer an dieses in Sperrrichtung angelegten
Spannung abhängig ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein
ferroelektrisches Material ist, dessen Permittivität von einer an dieses angelegten Steuer
spannung abhängig ist.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der bei der Änderung der Kapazität der wenigstens einen kapazitiven Einheit (C) fließende
Ladestrom als Messwert zur Ermittlung der induzierten Spannung (U0) und damit der
Strömungsgeschwindigkeit des Mediums erfasst wird.
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